龙芯处理器调试模式和(e)jtag工作原理学习笔记

杜比

对于计算机系统，如果你只在意应用程序带来的便利和欢娱，关注性能就好，若好奇os是怎么运作的，那是一个需要探索的规则世界。这两个世界映射到处理器上，就是用户模式和内核模式，这是基本需求，很多人会说，这个世界就是这样。或许有些人会好奇，这个世界真的就是这样么？ —— 当然不是！

龙芯的处理器手册，也提到了一种监管模式，语焉不详，基本上可以认为是一种对规则世界的微调，近乎玄学了。但这也不是全部，处理器其实还有一种模式，在这个模式下，可以随时对上面提到的三个模式按下暂停键，走街串巷一番，在近乎无规则的世界里畅游。这个模式叫“调试模式”

这个笔记，就是对“调试模式”这样一个世界的探索求知过程，希望能用最直接的归纳，分享我的经验之谈。

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1、怎样进入调试模式

一个是在软件环境里，合适的权限，运行的程序里面放一条特殊的指令，一运行它就产生”调试例外“。

另一个方法是给cpu指定引脚送特殊的串行信号，也会立刻产生”调试例外“。

调试例外一般情况下会立刻跳转到主板固件里面的一小段程序，也可以通过对应的工具软件，”映射“到另外一台机器的内存里。

这一小段程序叫”调试例外处理程序“也可以理解为一个”服务“，它先保护好cpu指定核的运行现场，然后做些配置，等待进一步的操作，需要退出调试模式时，运行一条特殊的指令。让处理器指定核恢复正常运行。

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2、为什么需要“调试模式”

调试的英文是debug，字面意思是“杀虫技”，理想的房子里面不该有臭虫，理想的处理器和软件也是一样。但现实和理想总是存在差距，所以需要一种能从底层观察、跟踪的机制，找到臭虫，然后拍死他。

观察和跟踪其实是一种测试，所以调试模式在某些领域里，也叫测试模式。通过执行测试流程，和预定的结果对比，如果一致，测试通过，如果不一致，那么就要找到它。

为了达到这个目的，现代处理器都提供了这种机制，于人于己都是一种便利，不过由于足够底层，足够复杂，入口足够隐秘，看起来更像是一个后门。行业内往往把调试测试后交付的产品，为了安全，大多把这个硬件入口封掉了，比如把相关的引脚敲断，或者在电路连接上不牵线搭桥，当它不存在。

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3、处理器调试模式的实现

调试和测试的思路，说起来并不复杂，但实现起来，对处理器来说，是个系统工程。在这个技术的发展路径上，一度是封闭和昂贵的，而且不通用。现在的实现，大多采用jtag这个规范，或基于这个jtag针对产品做一些扩充，龙芯用的就是这样的一个方案。

这个方案简单概括，对需要观察跟踪的端点，使用同步或者采样的手段，提供了一个“镜像”，通过专用线路组成一个传输网络，控制这个网络的是一个叫TAP--测试访问端口的东西。当处理器进入调试模式时，TAP驱动这个系统，按照用户的要求，捕捉或者更新指定端点的即时数据，并通过处理器的jtag功能引脚，控制命令和数据以串行的方式从指定引脚进出。

这个方案还需要一个probe设备，可以叫探针，也可以叫探测器，一端连结到处理器上和TAP相连的引脚，一端通过串口、并口、GPIO口或者usb口连结到用户的控制程序，构成一个完整的处理器芯片调试方案。

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4、需要了解一点TAP的基础原理

砍去一些细节，可以把TAP抽象成三个部分，一个是核心状态机，一个是数据寄存器组，一个是移位寄存器

捕捉，采集或要更新的数据，都存放在数据寄存器组里，数据按功能分数据，地址，状态等等，存放在不同编号的寄存器里。

移位寄存器，是数据进出处理器的中转站，时钟驱动，进出的数据一位一位的传，形成串行数据

状态机要实现的功能是，通过状态机的状态切换路径，确定要进行的操作，如：选择用户指定的数据寄存器，捕捉（获取）数据，更新（存储）数据等等。

其中，状态机的状态切换路径，类似格斗游戏里面的“组合技”的实现，要召唤出神龙，需要顺序按下多个指定键。每次按键就是一个状态切换，而顺序就是路径，TAP的秘籍就在如下这张图里面：

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5、一次TAP访问的基本流程

TAP有三个重要的信号线

TMS，测试模式选择，用户根据TAP状态图，生成一串数据，比如 1-1-1-1-1，输送给TAP，TAP就进入复位态
TDI，测试数据输入，用户要写入处理器的数据，都从此信号线输入
TDO，测试数据输出，处理器输出反馈给用户的数据

TAP的原理是”边界扫描“，在TAP模式下，可以抓取和填充处理器特定寄存器的值，例如数据，地址，控制等，capture是抓取，update是填充。capture抓取的信息，可以通过shift（移位）从TDO串行输出，update的数据可以从TDI中输入。

三条线组合，就构成了一次TAP访问，图中的IR，是指令，其实就是TAP数据寄存器组里面的编号，DR是里面的数据。
举例说明：要读1号寄存器内容

TMS输送 1-0-1-0-1-1 tap进入Update-DR态，启动数据写入
TDI输送 00001，把要读取的寄存器编号写入数据寄存器
TMS输送 1-0-1-1-0-1-1 tap进入Update-IR态， TAP获取要操作的寄存器编号
TMS输送 1-0-1-0-1-1-1 tap切换到 Capture-DR，开始捕捉1号TAP数据寄存器的内容送到移位寄存器
TMS输送 1-0-1-0-0-0 然后进入Shift-DR态，1号数据寄存器内容通过移位寄存器输出
TDO上接收CPU发送的数据

以上的流程不够精准，其实还有时序上的要求，但足以表达出TAP的工作模式，用户的调试和测试，就是通过不断的控制TAP的状态，对指定的寄存器读取或写入完成的。

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